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Die Erfindung betrifft ein elektrisch beheizbares Bearbeitungswerkzeug zum thermischen Bearbeiten von Bauteilen, z.B. zur Verwendung zum thermischen Urformen, Umformen oder Fügen von Bauteilen; sowie ein Verfahren zum thermischen Bearbeiten von Bauteilen mittels eines solchen Bearbeitungswerkzeugs.
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Bei vielen Herstellungsverfahren erfolgt eine thermische Behandlung, d.h. ein Wärmeeintrag, in ein zu bearbeitendes Bauteil. So ist es z.B. bekannt, bei Pressverfahren beheizte und/oder gekühlte Metallwerkzeuge in der Presse bereitzustellen oder alternativ unbeheizte Metallwerkzeuge in einer beheizten und/oder gekühlten Presse zu verwenden. Des Weiteren sind z.B. Formwerkzeuge bekannt, die eine formgebende Struktur aus einem Faserverbundmaterial mit einer elektrisch betreibbaren Heizung aufweisen. Diesbezüglich beschreibt z.B.
DE 10 2004 042 422 A1 ein Formwerkzeug mit einer Faserverbundstruktur mit einer Kunststoffmatrix, in die ein elektrisches Widerstandsheizelement eingebettet ist. Ferner beschreibt
WO 2008/067809 A2 ein Formwerkzeug mit einer Faserverbundstruktur und einem elektrischen Widerstandsheizelement, wobei die das Widerstandsheizelement bildende Anordnung in Form von biaxialen oder multiaxialen Geweben oder Gelegen aus Kohlenstofffasern gebildet ist.
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Die oben erwähnten beheizbaren metallischen Formwerkzeuge sind mit hohen Anschaffungs- und Betriebskosten verbunden. Zudem weisen sie aufgrund ihrer hohen Masse und Wärmekapazität einen entsprechend hohen Energieverbrauch und eine hohe thermische Trägheit auf, was mit entsprechend großen Taktzeiten einhergeht. Derartige metallische Formwerkzeuge können neben der Heizung auch mit einer Kühlung ausgestattet sein, um ein schnelleres Abkühlen der bearbeiteten Bauteile zu ermöglichen. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Metallen ermöglichen metallische Formwerkzeuge zwar auch bei inhomogenem Temperatureintrag ein relativ homogenes Temperieren der zu bearbeitenden Bauteile, jedoch ist sowohl beim Aufheizen als auch beim Abkühlen ein großer Teil der eingesetzten Energie zum Temperieren des Formwerkzeugs erforderlich und geht somit zum Temperieren des Bauteils verloren.
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Formwerkzeuge aus Faserverbundwerkstoffen sind mit geringeren Kosten verbunden und können mit einer geringeren Masse, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein, jedoch ermöglichen die bekannten Formwerkzeuge aus Faserverbundwerkstoffen keine (aktive) Kühlung, was sich u.a. negativ auf die Taktzeiten (Aufheiz-/Abkühlzyklus) auswirkt.
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Durch die Erfindung wird ein kostengünstiges, stabiles Bearbeitungswerkzeug zum thermischen Bearbeiten von Bauteilen bereitgestellt, mittels dessen kurze Taktzeiten bei niedrigem Energieverbrauch ermöglicht sind. Zudem wird ein Verfahren zum thermischen Bearbeiten von Bauteilen unter Verwendung eines solchen Bearbeitungswerkzeugs bereitgestellt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Bearbeitungswerkzeug zum thermischen Bearbeiten von Bauteilen – z.B. zum thermischen Urformen, Umformen oder Fügen (z.B. Verkleben zweier Bauteile mittels Wärmeeintrags) – bereitgestellt. Das Bearbeitungswerkzeug kann somit z.B. als Formwerkzeug, insbesondere als Presswerkzeug, oder als Fügewerkzeug fungieren. Das Bearbeitungswerkzeug weist eine frontseitige Decklage mit einem elektrischen Widerstandsheizelement zum Beheizen der Decklage auf. Die Decklage kann z.B. eine Decklage aus faserverstärktem Kunststoffmaterial sein, wobei ein elektrisches Widerstandsheizelement in das Kunststoffmaterial bzw. in die Decklage eingebettet ist. Die Decklage kann jedoch auch eine metallische Deckplatte (z.B. aus einem dünnen Blech) aufweisen oder sein, die mit einem Widerstandsheizelement versehen ist. Die Decklage weist eine zum Kontaktieren eines zu bearbeitenden Bauteils vorgesehene Vorderseite und eine von derselben abgewandte Rückseite auf. Die Decklage kann z.B. in Form einer ebenen Platte ausgeführt sein, kann jedoch auch eine andere Form aufweisen und wird in der Regel eine dreidimensionale Gestalt aufweisen.
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An der Rückseite der Decklage ist eine Tragstruktur aus faserverstärktem Kunststoffmaterial angeordnet, wobei die Tragstruktur alternierend bzw. abwechselnd mit von der Rückseite weggewölbten Ausbuchtungen und zu der Rückseite hingewölbten Einbuchtungen profiliert und derart angeordnet ist, dass mittels der Ausbuchtungen als Kühlkanäle fungierende Kanäle gebildet sind, die entlang der Rückseite der Decklage verlaufen. Die Tragstruktur ist sozusagen wellblechartig geformt, wobei der Querschnitt und die Anordnung der gebildeten Kühlkanäle von der Wellenform der Tragstruktur definiert sind. Die Tragstruktur ist (entlang der Einbuchtungen) kontaktierend an der Decklagen-Rückseite angeordnet, z.B. mit derselben verklebt.
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Das Bearbeitungswerkzeug kann zudem eine Stützstruktur aufweisen. Die Stützstruktur wird von einem die Einbuchtungen der Tragstruktur ausfüllenden bzw. hinterfüllenden Stützmaterial gebildet. Das Stützmaterial ist bevorzugt ein thermisch isolierendes Material. Das Stützmaterial kann z.B. ein (ausgehärtetes) Epoxidharz bzw. ein mittels eines Epoxidharzes gebildeter Kunststoff sein, dem zur Erhöhung seiner thermischen Isolierwirkung z.B. ein Füllmaterial aus einem thermisch isolierenden Material hinzugefügt sein kann. Das Füllmaterial kann ein stückiges bzw. granulatartiges Material sein, z.B. können Glaskugeln als Füllmaterial vorgesehen sein.
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Die mechanische Stabilität und die Formsteifigkeit des Bearbeitungswerkzeugs werden hauptsächlich durch die Tragstruktur bestimmt, welche zudem zum Übertragen von auftretenden Druck- und Schubkräften sowie zur räumlichen Trennung der warmen und der kalten Werkzeugseite voneinander dient. Mittels der die Tragstruktur hinterfüllenden bzw. stützenden Stützstruktur kann die Stabilität des Bearbeitungswerkzeugs zusätzlich gesteigert sein, wobei die Stützstruktur zudem als thermische Isolierung fungiert.
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Während eines Bearbeitungsvorgangs mit einem Heizschritt und einem Kühlschritt unter Verwendung des Bearbeitungswerkzeugs kann vorgesehen sein, dass während des Kühlschrittes die Kühlkanäle von einem Kühlfluid durchströmt werden, und während des Heizschrittes die Kühlkanäle nicht von einem Kühlfluid durchströmt werden (sondern evakuiert sind oder mit einem stillstehenden, nichtströmenden – und z.B. thermisch isolierenden – Fluid befüllt sind). Das Kühlfluid kann ein gasförmiges Medium (z.B. Druckluft) oder ein flüssiges Medium (z.B. Wasser) sein.
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Indem die Kühlkanäle während des Kühlens von einem Kühlfluid durchströmt sind, kann mittels des Fluidstroms ein effektiver Abtransport der Wärme von dem Bauteil mittels des mit dem Fluidstrom einhergehenden Wärmestroms erfolgen. Indem die Kühlkanäle zwischen einem von der Decklagen-Rückseite weggewölbten Abschnitt der Tragstruktur und der Decklagen-Rückseite gebildet sind und das Kühlfluid somit im direkten Kontakt mit der Decklage steht, ist zudem auch bei einer schlecht wärmeleitfähigen Decklage ein effektiver Wärmeabtransport ermöglicht. Indem während des Heizschritts der Kühlfluid-Strom unterbrochen ist und die Kühlkanäle somit während des Beheizens des thermisch zu bearbeitenden Bauteils nicht von einem Kühlfluid durchströmt werden, können die Kanal-Hohlräume während des Heizens als thermische Isolierung wirken, sodass die zugeführte Heizenergie im Wesentlichen zum Temperieren der zu bearbeitenden Bauteile zur Verfügung steht und nur ein geringer Energieanteil zum Aufheizen des Bearbeitungswerkzeugs verloren geht.
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Zudem kann die Stützstruktur aus thermisch isolierendem Material zusätzlich isolierend wirken und somit einen zwischen der Rückseite bzw. unbeheizbaren Seite des Bearbeitungswerkzeuges und der beheizbaren Decklage verlaufenden Wärmestrom minimieren, wodurch sowohl während des Aufheizens als auch während des Abkühlens der erforderliche Energieaufwand noch weiter reduziert ist und eine homogene Temperaturverteilung über die Decklage hinweg ermöglicht ist.
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Somit ermöglicht das Bearbeitungswerkzeug ein schnelles Aufheizen und Abkühlen der Decklage (und folglich entsprechend geringe Taktzeiten) mit einer homogenen Temperaturverteilung bei geringem Energieaufwand.
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Indem das Bearbeitungswerkzeug zumindest teilweise aus faserverstärktem Kunststoffmaterial besteht, kann das Bearbeitungswerkzeug kostengünstig und mit einem geringen Gewicht bereitgestellt werden, wobei mittels der Tragstruktur in Verbindung mit der Stützstruktur dennoch eine hohe Stabilität gewährleistet ist.
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Die Decklage kann aus faserverstärktem Kunststoffmaterial bestehen, z.B. aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und/oder aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Decklage eine metallische Deckplatte aufweist.
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Das elektrische Widerstandsheizelement kann z.B. einen oder mehrere metallische Widerstandsheizabschnitte, z.B. Widerstandsheizdrähte, aufweisen oder aus denselben bestehen. Das elektrische Widerstandsheizelement kann jedoch auch einen oder mehrere aus Kohlenstofffasern bestehende Widerstandsheizabschnitte, z.B. einen oder mehrere Widerstandsheizstränge aus Kohlenstofffasern, aufweisen oder aus denselben bestehen. Ein solcher Heizstrang kann z.B. aus einem Kohlenstofffaser-Roving bestehen, wobei das Roving z.B. aus unidirektionalen Kohlenstofffasern bestehen kann. Das Widerstandsheizelement kann insbesondere einen oder mehrere, unter Ausbildung einer Flächenheizung mäanderförmig entlang der Decklage verlaufende, strangförmigen Widerstandsheizabschnitte (z.B. metallische Widerstandsheizdrähte oder aus Kohlenstofffasern bestehende Widerstandsheizstränge) aufweisen oder aus denselben bestehen. Das Widerstandsheizelement (bzw. dessen Abschnitte) ist, bis auf zum Anschließen des Widerstandsheizelements an eine elektrische Spannungsquelle vorgesehene Anschlussabschnitte desselben, durch umliegende elektrisch isolierende Bereiche elektrisch isoliert. Bei Ausbildung der Decklage aus faserverstärktem Kunststoff kann das Widerstandsheizelement z.B. durch umliegende elektrisch isolierende Bereiche der Faserverbundstruktur elektrisch isoliert sein. Solche elektrisch isolierenden Bereiche können z.B. durch glasfaserverstärktes Kunststoffmaterial gebildet sein.
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Die Tragstruktur besteht ebenfalls aus faserverstärktem Kunststoffmaterial, z.B. aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und/oder aus glasfaserverstärktem Kunststoff.
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Die Form und die Abmessungen der Kühlkanäle sind durch das Wellenprofil der Tragstruktur definiert. Demgemäß können die Form und die Abmessungen der Kühlkanäle durch entsprechende Gestaltung des Wellenprofils der Tragstruktur an ein jeweiliges Anforderungsprofil angepasst sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Tragstruktur derart ausgebildet, dass die Kühlkanäle einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen; wobei die längere der beiden zueinander parallelen Grundseiten des Trapezes durch den von der Decklagen-Rückseite gebildeten Begrenzungsabschnitt des jeweiligen Kühlkanals gegeben ist und der Kanal somit einen sich in Richtung zu der Decklage hin aufweitenden Querschnitt aufweist. Die Kühlkanäle können z.B. derart ausgebildet sein, dass ihr Querschnitt die Form eines gleichschenkligen, symmetrischen Trapezes aufweist, wobei die längere der beiden parallelen Grundseiten des Trapezes von der Decklage gebildet ist.
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Indem die Kühlkanäle mit einem trapezförmigen, sich in Richtung zu der Decklage aufweitenden Querschnitt ausgebildet sind, ist eine große Kontaktfläche zwischen dem Innenraum der Kühlkanäle und der Decklage ermöglicht, wodurch während des Heizens eine effektive thermische Isolierung der Decklage und während des Kühlens eine effektive Wärmeabfuhr von der Decklage ermöglicht ist.
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Zudem ist mittels der resultierenden, trapezförmig zu der Decklage hingewölbten Einbuchtungen eine hohe Stabilität der Tragstruktur und der Stützstruktur – und somit auch des Bearbeitungswerkzeuges – gegen eine auf die Vorderseite der Decklage wirkende Druckbelastung ermöglicht, was insbesondere bei Verwendung des Bearbeitungswerkzeugs als Presswerkzeug vorteilhaft ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Tragstruktur derart ausgebildet, dass die Kühlkanäle einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Dies kann z.B. bei Anwendungen vorgesehen sein, bei denen eine geringere Stabilität des Bearbeitungswerkzeuges genügt. Zudem ermöglicht ein rechteckiger Kanalquerschnitt gegenüber einem trapezförmigen Kanalquerschnitt bei gleicher Kontaktfläche zwischen dem Innenraum eines Kühlkanals und der Decklage einen größeren Strömungsquerschnitt und somit auch einen größeren Volumenstrom des Kühlfluids. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Strömungsquerschnitt der Kühlkanäle eine andere Form als eine Trapezform oder Rechteckform aufweist.
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Die Tragstruktur und die Kühlkanäle sind bevorzugt derart ausgebildet, dass die Kontaktfläche, an der die Tragstruktur die Decklagen-Rückseite kontaktiert, nicht größer als 30%, insbesondere nicht größer als 15%, der Gesamtfläche der Decklagen-Rückseite ist. Indem die Kontaktfläche zwischen der Tragstruktur und der beheizten Decklage gering gehalten ist, kann während des Heizens ein Wärmestrom von der beheizten Decklage über die Kontaktfläche zu der unbeheizten Rückseite des Bearbeitungswerkzeugs unterdrückt bzw. klein gehalten werden, wohingegen während des Kühlens ein Wärmeeintrag von der unbeheizten Rückseite des Bearbeitungswerkzeugs über die Kontaktfläche zu der beheizten Decklage unterdrückt bzw. klein gehalten werden kann, wodurch sowohl während des Heizens als auch während des Kühlens eine hohe Homogenität der Temperaturverteilung über die Decklage hinweg zusätzlich unterstützt ist.
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Das Bearbeitungswerkzeug kann ferner eine unbeheizte Basislage bzw. rückwärtige Decklage aufweisen, die kontaktierend an der Stützstruktur angeordnet ist, z.B. auf die Stützstruktur auflaminiert ist. Die Basislage weist aus Symmetriegründen bevorzugt dieselbe Geometrie auf wie die Decklage und besteht z.B. aus faserverstärktem Kunststoffmaterial, z.B. aus demselben faserverstärkten Kunststoffmaterial wie die beheizbare frontseitige Decklage.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Bearbeitungswerkzeug eine Kühlvorrichtung auf, die derart ausgebildet ist, dass von ihr ein Kühlfluid (z.B. Druckluft, Öl oder Wasser) durch die Kühlkanäle hindurchgeleitet werden kann. Es kann z.B. vorgesehen sein, die zu bearbeitenden Bauteile zunächst einem Heizschritt zu unterziehen, wobei während des Heizschrittes mittels Betreibens des Widerstandsheizelements der Decklage ein Beheizen des zu bearbeitenden Bauteils erfolgt. Der Heizschritt kann z.B. einen Temperaturerhöhungs-Abschnitt, während dessen ein Temperaturanstieg auf eine vorgegebene Heiztemperatur erfolgt, und einen Konstanttemperatur-Abschnitt, während dessen die Temperatur konstant auf der vorgegebenen Heiztemperatur gehalten wird, aufweisen. Die Kühlvorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass von ihr während des Heizschritts kein Kühlfluid durch die Kühlkanäle hindurchgeleitet wird, d.h. die Kühlkanäle während des Heizschritts nicht von dem Kühlfluid durchströmt werden. Während des Heizschritts wird z.B. der Kühlfluidstrom unterbrochen und/oder das Kühlfluid aus den Kanälen abgelassen. Es kann zudem vorgesehen sein, die zu bearbeitenden Bauteile nach dem Heizschritt einem Abkühlschritt zu unterziehen; wobei die Kühlvorrichtung derart ausgebildet sein kann, dass von ihr während des Kühlschritts das Kühlfluid durch die Kühlkanäle hindurchgeleitet wird, sodass die Kühlkanäle von dem Kühlfluid durchströmt werden.
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Das Bearbeitungswerkzeug gemäß den oben beschriebenen Ausführungen kann z.B. ein Formwerkzeug, insbesondere ein Presswerkzeug, sein. Das Formwerkzeug kann insbesondere zum Urformen oder Umformen von Bauteilen aus thermisch beeinflussbaren Werkstoffen, z.B. Kunststoffen oder Faserverbundstoffen, vorgesehen sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum thermischen Bearbeiten von Bauteilen mittels eines Bearbeitungswerkzeugs bereitgestellt. Das Bearbeitungsverfahren wird unter Verwendung eines Bearbeitungswerkzeugs gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungen durchgeführt, sodass im Folgenden lediglich knapp auf die entsprechenden Ausgestaltungen des Verfahrens eingegangen wird und im Übrigen hiermit auf die entsprechenden Erläuterungen hinsichtlich des Werkzeugs verwiesen wird.
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Gemäß dem Verfahren wird zunächst mittels des Bearbeitungswerkzeuges ein Heizschritt durchgeführt, wobei der Heizschritt wie oben beschrieben einen Temperaturerhöhungs-Abschnitt und einen Konstanttemperatur-Abschnitt aufweisen kann. Während des Heizschritts erfolgt ein Beheizen der Decklage mittels des Widerstandsheizelements. Gemäß dem Verfahren erfolgt während des Heizschritts kein Kühlfluidstrom durch die Kühlkanäle; d.h. während des Heizschrittes sind die Kühlkanäle nicht von einem Fluid bzw. dem Kühlfluid durchströmt, sondern sind entleert bzw. evakuiert oder mit einem nichtströmenden Fluid gefüllt. Gemäß dem Verfahren wird nach dem Heizschritt ein Kühlschritt durchgeführt, wobei während des Kühlschrittes die Kühlkanäle von einem Kühlfluid durchströmt werden. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, während des Kühlschrittes die Kühlkanäle mit einem flüssigen Kühlfluid zu durchströmen und nach Beendigung des Kühlschrittes das flüssige Kühlfluid aus den Kühlkanälen zu entfernen, sodass die Kühlkanäle während eines nachfolgenden Heizschrittes mit (nichtströmender) Luft bzw. einem Gas gefüllt sind. Während des Kühlschritts kann das Widerstandsheizelement ausgeschaltet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird während des Kühlschrittes mit dem elektrischen Widerstandsheizelement, das in die Decklage eingebettet ist, zumindest zeitweise gegengeheizt, sodass mittels des Gegenheizens die durch den Strom des Kühlfluids hervorgerufene Abkühlrate abgesenkt wird (d.h. der Temperaturabfall verlangsamt wird). Allgemein ist die Kühlrate um so größer, je größer die Temperaturdifferenz zwischen dem abzukühlenden Bauteil und dem Kühlfluid ist. Unmittelbar nach Beendigung des Heizschrittes und zu Beginn des Kühlschrittes ist (bei gleich bleibender Temperatur des in die Kühlkanäle eintretenden Kühlfluids) die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlfluid und dem bearbeiteten Bauteil am größten, sodass (bei gleich bleibendem Volumenstrom des Kühlfluids) auch die Kühlrate zu diesem Zeitpunkt ihren höchsten Wert aufweist und während des folgenden Abkühlens abnimmt. Oftmals ist jedoch ein Abkühlen mit einer vorgegebenen, konstanten Kühlrate vorteilhaft, wobei insbesondere ein zu schnelles Abkühlen vermieden werden soll. Indem während des Kühlschrittes mit dem Widerstandsheizelement gegengeheizt wird, kann die mittels des Kühlfluid-Stroms hervorgerufene Kühlrate reduziert werden. Zudem kann vorgesehen sein, derart gegenzuheizen, dass die Kühlrate konstant auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird; wobei eine entsprechende Regelung der Heizleistung des Widerstandsheizelements z.B. mittels eines im thermischen Kontakt zu der Decklage angeordneten Temperatursensors in dem Fachmann bekannter Art und Weise realisierbar ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierzu zeigen schematisch:
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1 eine Schnittdarstellung eines Bearbeitungswerkzeugs gemäß einer Ausführungsform;
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2 eine Darstellung der Anordnung eines Widerstandsheizelements; und
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3 eine Schnittdarstellung eines Bearbeitungswerkzeuges gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt ein Bearbeitungswerkzeug 1 gemäß einer Ausführungsform in einer Schnittdarstellung. Das Bearbeitungswerkzeug 1 ist ein Formwerkzeug 1, hier als Beispiel ein Presswerkzeug 1. Das Presswerkzeug 1 weist eine frontseitige Decklage 3 aus faserverstärktem Kunststoffmaterial auf, wobei ein elektrisches Widerstandsheizelement 5 in die Decklage 3 eingebettet ist und die Decklage 3 somit beheizbar ist.
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Die Decklage 3 weist eine Vorderseite 7 und eine Rückseite 9 auf, wobei die Vorderseite 7 zum Kontaktieren des zu formenden Bauteils (nicht dargestellt) vorgesehen ist und somit die formgebende Fläche des Formwerkzeugs 1 bildet. Der Einfachheit halber ist die Decklage 3 als ebene Platte dargestellt, die Decklage kann jedoch mit einer beliebigen dreidimensionalen Gestalt ausgeführt sein. Das elektrische Widerstandsheizelement 5 besteht aus einem Roving bzw. Bündel aus Kohlenstofffasern, wobei das Bündel mäanderförmig entlang der formgebenden Vorderseite 7 der Decklage 3 verlaufend angeordnet ist (siehe 2).
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Die Decklage 3 besteht aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, wobei das Widerstandsheizelement 5 mittels dasselbe umgebender Bereiche aus glasfaserverstärktem Kunststoff (nicht dargestellt) von dem umliegenden kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff elektrisch isoliert ist.
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Das Formwerkzeug 1 weist ferner eine kontaktierend an der Rückseite 9 der Decklage 3 angeordnete Tragstruktur 11 auf. Die Tragstruktur 11 besteht aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und weist eine wellblechartige Gestalt mit trapezförmigen Wellenbergen und Wellentälern auf, wobei die Tragstruktur 11 alternierend mit von der Decklagen-Rückseite 9 weggewölbten Wellentälern bzw. Ausbuchtungen 13 und zu der Decklagen-Rückseite 9 hingewölbten Wellenbergen bzw. Einbuchtungen 15 profiliert ist. Somit sind mittels der Ausbuchtungen 13 Kühlkanäle 17 gebildet. Die Kanäle 17 sind von den Ausbuchtungen 15 der Tragstruktur 3 und der Deckseiten-Rücklage 9 begrenzt und verlaufen mit ihrer Längsrichtung entlang der Decklagen-Rückseite 9, d.h. gemäß 1 entlang der y-Richtung des dargestellten xyz-Koordinatensaystems.
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Das Formwerkzeug 1 weist ferner eine Stützstruktur 19 auf. Die Stützstruktur 19 ist von einem die Einbuchtungen 15 der Tragstruktur 3 hinterfüllenden (ausgehärteten) Epoxidharz gebildet, das mit Glaskügelchen als thermisch isolierendem Füllmaterial versetzt ist. Zudem weist das Formwerkzeug 1 eine rückwärtige Basislage 21 auf, die auf die Stützstruktur 19 auflaminiert ist. Die rückwärtige Basislage 21 besteht aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und entspricht in ihren Abmessungen denjenigen der frontseitigen Decklage 3. Bei der Ausführung gemäß 1 ist die Basislage 21 zudem von der Tragstruktur 11, insbesondere von den Ausbuchtungen 13 der Tragstruktur 11, kontaktiert und mit derselben verklebt.
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Jeder der Kühlkanäle 17 weist einen Strömungsquerschnitt in Form eines gleichschenkligen, symmetrischen Trapezes auf, wobei die längere der beiden parallelen Grundseiten des Trapezes an der Decklage 3 und die kürzere der beiden parallelen Grundseiten des Trapezes an der Basislage 21 angeordnet ist. Das Verhältnis der Kontaktfläche, an der die Tragstruktur 11 die Decklagen-Rückseite 9 kontaktiert, beträgt ca. 15 % der gesamten Fläche der Decklagen-Rückseite 9.
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2 veranschaulicht einen parallel zur xy-Ebene, d.h. parallel zur Decklagen-Vorderseite 7, verlaufenden Schnitt durch die Decklage 3. Wie aus 2 ersichtlich, ist das als Widerstandsheizelement 5 fungierende Kohlenstofffaserbündel 5 mäanderförmig derart entlang der Decklage verlaufend angeordnet, dass von ihm ein flächiges Temperieren der Decklage 3 ermöglicht ist. Das Widerstandsheizelement 5 weist zwei aus der Decklage 3 ragende Kontaktanschlüsse 23 auf, wobei das Widerstandsheizelement 5 durch Beaufschlagen der beiden Kontaktanschlüsse 23 mit einer elektrischen Spannung aktivierbar ist.
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Das Formwerkzeug 1 gemäß den 1 und 2 weist zudem eine Kühlvorrichtung (nicht dargestellt) auf, die zum Hindurchleiten von als Kühlfluid dienender Druckluft durch die Kühlkanäle 17 ausgebildet ist.
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Zum Formen eines zu bearbeitenden Bauteils wird zunächst mittels des Formwerkzeugs 1 ein Heizschritt durchgeführt, indem eine elektrische Spannung zwischen den beiden Kontaktanschlüssen 23 des Widerstandsheizelements 5 angelegt wird und die Decklage 3 somit beheizt wird. Nach dem Formen des Bauteils wird mittels des Formwerkzeugs 1 ein Kühlschritt durchgeführt, indem mittels der Kühlvorrichtung das Kühlfluid durch die Kühlkanäle 17 hindurchgeleitet wird (d.h. an einem Längsende in die Kühlkanäle 17 eintritt, diese entlang der y-Richtung durchströmt und am anderen Längsende der Kühlkanäle aus denselben austritt). Während des Heizschritts wird kein Kühlfluid durch die Kühlkanäle hindurchgeleitet.
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Somit sind die Kühlkanäle 17 während des Heizschritts mit stillstehender, nichtströmender Luft befüllt, welche als thermische Isolierung wirkt. Während des Kühlschritts sind die Kühlkanäle 17 hingegen mit Druckluft beaufschlagt und von derselben durchströmt, wobei durch den mit der Fluidströmung einhergehenden Wärmestrom Wärme von der Decklage 3 und somit auch von dem geformten Bauteil weggeführt wird und diese somit gekühlt werden.
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3 veranschaulicht ein Bearbeitungswerkzeug 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Ausführung gemäß 3 unterscheidet sich von derjenigen gemäß den 1 und 2 lediglich dadurch, dass sie durch eine entsprechende Gestaltung der Tragstruktur 11 mit Kühlkanälen 17 mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausgebildet ist.
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Zum Formen eines Bauteils mittels eines Presswerkzeugs gemäß den 1 bis 3 wird zunächst die Decklagen-Vorderseite eingetrennt (d.h. mit einem Trennmittel benetzt). Danach wird das zu formende Bauteil mit der Decklagen-Vorderseite in Kontakt gebracht, z.B. auf die Decklagen-Vorderseite aufgelegt. Nunmehr wird das Presswerkzeug mit dem vorgegebenen Prozessdruck beaufschlagt und die Heizung eingeschaltet (d.h. das in die Decklage eingebettete Heizelement mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt). Das Bauteil wird in der durch die Decklagen-Vorderseite definierten Form ausgehärtet, danach wird die Heizung ausgeschaltet und die Kühlkanäle werden von einem Kühlfluid durchströmt. Schließlich wird das bearbeitete Bauteil entformt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bearbeitungswerkzeug / Formwerkzeug / Presswerkzeug
- 3
- frontseitige Decklage
- 5
- elektrisches Widerstandsheizelement
- 7
- Decklagen-Vorderseite
- 9
- Decklagen-Rückseite
- 11
- Tragstruktur
- 13
- Ausbuchtungen
- 15
- Einbuchtungen
- 17
- Kühlkanal
- 19
- Stützstruktur
- 21
- rückwärtige Basislage
- 23
- Kontaktanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004042422 A1 [0002]
- WO 2008/067809 A2 [0002]
